【正文】 精度高、量程寬、靈敏度高、體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，其常用于我們的生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫度測(cè)量以及在惡劣環(huán)境下進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。此外，通過綜合利用所學(xué)的單片機(jī)知識(shí)完成 “數(shù)字溫度計(jì) ”這樣一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并仿真實(shí)現(xiàn)，加深對(duì)單片機(jī)軟硬知識(shí)的理解，獲得初步的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，為走出校門從事單片機(jī)應(yīng)用的相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。 、設(shè)計(jì)任 務(wù)及要求 測(cè)量溫度的基本范圍是 50℃ ～ 110℃ 。 測(cè)量精度誤差小于 ℃ 。 采用 LED 數(shù)碼直讀顯示。 擴(kuò)展功能。 可以任意設(shè)定溫度的上下限報(bào)警功能。 河南理工大學(xué)單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 5 、設(shè)計(jì)方案論證 該系統(tǒng)主要由溫度測(cè)量和數(shù)據(jù)采集兩部分電路組成，實(shí)現(xiàn)的方法很多，下面將列出兩種在日常生活和工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常用到的實(shí)現(xiàn)方案。 、方案一：使用熱敏電阻 由于本設(shè)計(jì)是測(cè)溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng)，在 將隨被測(cè)溫度變化的電壓或電流采集過來，進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換 后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測(cè)溫度值顯示出來，這種設(shè)計(jì)需要用到 A/D 轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。 、方案二：采用數(shù)字溫度芯片 DS18B20 采用數(shù)字溫度芯片 DS18B20 測(cè)量溫度，輸出信號(hào)全數(shù)字化。便于單片機(jī)處理及控制，省去傳統(tǒng)的測(cè)溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測(cè)溫元件，此元件線形較好。在 0～ 100 攝氏度時(shí)，最大線形偏差小于 1 攝氏度。 DS18B20 的最大特點(diǎn)之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計(jì) DS18B20 和微控制器 AT89S52 構(gòu)成的溫度測(cè)量裝置 ,它直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào) ,可直接與計(jì)算機(jī)連接。這樣 ,測(cè)溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就比較簡(jiǎn)單 ,體積也不大。采用單片機(jī)控制，軟件編程的自由度大，可通過編程實(shí)現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制，而且體積小，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，安裝方便。 控制工作，還可以與 PC 機(jī)通信上傳數(shù)據(jù)，另外 AT89S52在工業(yè)控制上也有著廣泛的應(yīng)用，編程技術(shù)及外圍功能電路的配合使用都很成熟。 該系統(tǒng)利用 AT89S52 芯片控制溫度傳感器 DS18B20 進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)并顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測(cè)量環(huán)境溫度，并可以根據(jù)需要設(shè)定上下限報(bào)警溫度。該系統(tǒng) 擴(kuò)展性非常強(qiáng)，它可以在設(shè)計(jì)中加入時(shí)鐘芯片 DS1302 以獲取時(shí)間數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理同時(shí)顯示時(shí)間，并可以利用 AT24C16 芯片作為存儲(chǔ)器件，以此來對(duì)某些時(shí)間點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，利用鍵盤來進(jìn)行調(diào)時(shí)和溫度查詢，獲得的數(shù)據(jù)可以通過 MAX232 芯片與計(jì)算機(jī)的 RS232 接口進(jìn)行串口通信，方便的采集和整理時(shí)間溫度數(shù)據(jù)。 河南理工大學(xué)單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 6 從以上兩種方案很容易看出，采用方案二，硬件電路比較簡(jiǎn)單，軟件設(shè)計(jì)也比較簡(jiǎn)單，因此，采用方案二進(jìn)行 “數(shù)字溫度計(jì) ”的設(shè)計(jì)。 、總體設(shè)計(jì)框圖 數(shù)字溫度計(jì)的原理框圖如圖 1所示。 圖 1 數(shù)字溫度計(jì)原理框圖 數(shù)字溫度計(jì)主要是由單片機(jī)控制器 AT89S52和溫度傳感器 DS18B20以及LED顯示電路組成。由 DS18B20溫度 傳感器芯片測(cè)量當(dāng)前的溫度，并將結(jié)果送入單片機(jī)，通過 AT89S51單片機(jī)芯片對(duì)送來的測(cè)量溫度讀數(shù)進(jìn)行計(jì)算和轉(zhuǎn)換，并將此結(jié)果送入顯示電路顯示。其中， DSI8B20溫度傳感器芯片采用 “一線制 ”與單片機(jī)相連，它獨(dú)立地完成溫度測(cè)量以及將溫度測(cè)量結(jié)果送到單片機(jī)的工作。 、主控制器 對(duì)于單片機(jī)的選擇，可以考慮使用 8031與 8051系列，由于 8031沒有內(nèi)部RAM，系統(tǒng)又需要大量?jī)?nèi)存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，因而不適用 。 AT89S52 是美國(guó) ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含 8kB的可編程的 Flash河南理工大學(xué)單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 7 只讀程序存儲(chǔ)器，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 Flash程序存儲(chǔ)器既可在線編程（ ISP），也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程，所以低價(jià)位 AT89S52單片機(jī)可為提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域，對(duì)于簡(jiǎn)單的測(cè)溫系統(tǒng)已經(jīng)足夠。單片機(jī) AT89S52具有低電壓供電和體積小等特點(diǎn)，四個(gè)端口只需要兩個(gè)口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。 AT89S52單片機(jī)引腳圖如圖 2所示。 圖 2 AT89S52單片機(jī)引腳圖 、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 MCS51 內(nèi)部有一個(gè)構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，此放大器的輸入端口和輸出端口分別是引腳 XTAL1 和 XTAL2，在 XTAL1 和 XTAL2 上外接時(shí)鐘源，即可構(gòu)成時(shí)鐘電路。根據(jù)單片機(jī)的生產(chǎn)工藝不同，可以分為內(nèi)部和外部?jī)煞N時(shí)鐘產(chǎn)生方式。本次設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生方式，其電路圖如圖 3 所示。 河南理工大學(xué)單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 8 圖 3 時(shí)鐘電路圖 復(fù)位是使 CPU 和系統(tǒng)中其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。 MCS51 單片 機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位、按鈕電平復(fù)位、外部脈沖復(fù)位、上電 +按鈕電平復(fù)位、程序運(yùn)行監(jiān)視復(fù)位等方式。本次設(shè)計(jì)采用上電 +按鈕電平復(fù)位，其電路圖如圖 4 所示。 圖 4 復(fù)位電路圖 、按鈕輸入電路 鍵盤可以分為獨(dú)立連接式和矩陣式兩類。獨(dú)立連接式按鍵是指直接用 I/O口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路。每個(gè)鍵單獨(dú)占用一根 I/O口線，每根 I/O線的工作狀態(tài)不會(huì)影響其他 I/O口線的工作狀態(tài)。 未有按鍵按下時(shí)，所有的數(shù)據(jù)輸入線都處于高電平狀態(tài)。當(dāng)任何一個(gè)鍵河南理工大學(xué)單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 9 按下時(shí)，與之相連的數(shù)據(jù)輸入線將被拉成低電平，要判斷是否有鍵按下，只需要用微操作 指令即可。 獨(dú)立連接式按鍵接口電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但每個(gè)按鍵必須占用一根 I/O口線，在按鍵較多時(shí)， I/O口線浪費(fèi)較大，故只在按鍵數(shù)量不多時(shí)采用這種按鍵電路。 于使用按鍵較少，本次設(shè)計(jì)采用獨(dú)立連接式按鍵。按鈕輸入電路如圖 5所示。 圖 5 按鈕輸入電路 、顯示電路和驅(qū)動(dòng)電路 本次設(shè)計(jì)要求使用 4 位的七段 LED 數(shù)碼顯示， LED 顯示器內(nèi)部由 7 段發(fā)光二極管組成，因此亦稱之為七段 LED 顯示器，由于主要用于顯示各種數(shù)字符號(hào)，故又稱之為 LED 數(shù)碼管。每個(gè)顯示器還有一個(gè)圓點(diǎn)型發(fā)光二極管，用于顯示小數(shù)點(diǎn)。但其編程 相對(duì)復(fù)雜，可顯示字符比較少。顯示電路如圖 6 所示。 河南理工大學(xué)單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 10 圖 6 顯示電路和驅(qū)動(dòng)電路 、數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 由于傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件測(cè)出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度，需要比較多的外部元件支持，且硬件電路復(fù)雜，制作成本相對(duì)較高。因此，本設(shè)計(jì)采用 DALLAS公司的數(shù)字溫度傳感器 DS18B20作為測(cè)溫元件。 、 DS18B20 簡(jiǎn)單介紹 DS18B20是 DALLAS公司的一種新型的單線數(shù)字溫度傳感器，其體積更小、更適用于多種場(chǎng)合、且適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)。溫度測(cè)量范圍為 55～+125 攝氏度，可編程為 9位～ 12位轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá) ，分辨率設(shè)定參數(shù)以及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在 EEPROM中，掉電后依然保存。被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的 16位數(shù)字量的方式串行輸出；其工作電源既可以在遠(yuǎn)端引入，也可以采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個(gè) DS18B20可以并聯(lián)到 3 根或 2 根線上， CPU只需一根端口線就能與諸多 DS18B20 通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。因此用它來組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，具有線路簡(jiǎn)單，在一根通信線，可以連接很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便。 河南理工大學(xué)單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 11 、 DS18B20 性能特點(diǎn) DS18B20 的性能特點(diǎn)： 用單總線專用技術(shù)，既可通過串行口線，也可通過其它 I/O 口線與微機(jī)接口，無須經(jīng)過其它變換電路，直接輸出被測(cè)溫度值（ 9 位二進(jìn)制數(shù)，含符號(hào)位）。 測(cè)溫范圍為 55℃ +125℃ ，測(cè)量分辨率為 ℃ 。 內(nèi)含 64位經(jīng)過激光修正的只讀存儲(chǔ)器 ROM。 適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)機(jī)。 用戶可分別設(shè)定各路溫度的上、下限。 內(nèi)含寄生電源。 、 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 64位光刻 ROM,溫度傳感器 ,非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH和 TL,高速暫存器。 DS18B20的管腳排列如圖 7所示。 圖 7 DS18B20 引腳分布圖 64 位光刻 ROM 是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20 的地址序列號(hào)。不同的器件地址序列號(hào)不同。 8位產(chǎn)品系列號(hào) 48位產(chǎn)品序號(hào) 8位 CRC編碼 河南理工大學(xué)單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 12 DS18B20 高速暫存器共 9個(gè)存存單元，如表 1所示： 序號(hào) 寄存器名稱 作用 0 溫度低字節(jié) 以 16位補(bǔ)碼形式存放 1 溫度高字節(jié) 2 TH/用戶字節(jié) 1 存放溫度上限 3 HL/用戶字節(jié) 2 存放溫度下限 5 保留字節(jié) 2 6 計(jì)數(shù)器余值 7 計(jì)數(shù)器 /℃ 8 CRC 表 1 DS18B20高速暫存器 以 12 位轉(zhuǎn)化為例說明溫度高低字節(jié)存放形式及計(jì)算： 12 位轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在 18B20 的兩個(gè)高低兩個(gè) 8 位的 RAM 中，二進(jìn)制中的前面 5 位是符號(hào)位。如果測(cè)得的溫度大于 0，這 5 位為 0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于 即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 才能得到實(shí)際溫度。 高 8位 S S S S S 26 25 24 低 8位 23 22 21 20 21 22 23 24 、 DS18B20控制方法 在硬件上， DS18B20 與單片機(jī)的連接有兩種方法，一種是 VCC接外部電源， GND 接地， I/O 與單片機(jī)的 I/O 線相連；另一種是用寄生電源供電，此時(shí) UDD、 GND 接地， I/O 接單片機(jī) I/O。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，I/O 口線要接 5KΩ左右的上拉電阻。 河南理工大學(xué)單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 13 DS18B20 有六條控制命令，如表 2所示： 指令 約定代碼 操作說明 溫度轉(zhuǎn)換 44H 啟動(dòng) DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換 讀 暫存器 BEH 讀暫存器 9個(gè)字節(jié)內(nèi)容 寫暫存器 4EH 將數(shù)據(jù)寫入暫存器的 TH、 TL字節(jié) 復(fù)制暫存器 48H 把暫存器的 TH、 TL字節(jié)寫到E2RAM 重新調(diào) E2RAM B8H 把 E2RAM中的 TH、 TL字節(jié)寫到暫存器 TH、 TL字節(jié) 讀電源供電方式 B4H 啟動(dòng) DS18B20發(fā)送電源供電方式的信號(hào)給主